전기

온도 조절계(Temperature-Controller)에 대해서 설명

• 온도가 다른 2개의 물건을 장기간 접속시키면 나중에는 같은 온도가 되며 이것을
  열평형이라고 한다.
• 열역학의 제영법칙(The Zeroth of Thermodynamics).<2개의 물건이 각각 제3의
  물건과 열평형상태에 있다면, 이 두개의 물건도 열평형 상태이다.>
• 접속식 온도측정은 이 이론을 기초로 한 것으로 온도를 측정하고저 하는 물체에 하는
  온도계의 측정부를 열적으로 잘 접속하여 양자가 같은 온도가된 상태에서 온도계의
  눈금을 읽는다. 
  

[ 2 ] 온도계의 종류

• 제어방식에는 피드팩(Feed back)제어와 시퀸스제어가 있고 온도제어는 피드백저어의 하나 이다.

[ 1 ] 온도제어의 구성예

• 온도를 제어하기 위한 기본적인 구성을 나타낸다.
• 측온체 : 온도를 전기신호로 변환하는 소자를 파이프관으로 보호한 구조로 되어있고이소자를 온도검출 하고져 하는 위치(검출부)에 설치사용한다.
• 조작기 : 전기로 등을 가열 또는 냉각하는 기기로서 히-타에 통전하는 전류를 단속하는 전자개폐기, 연료의 공급정지를 행하는 밸브등을 말한다.
• 전자온도 조절기 : 측온체의 전기신호를 받아 목표(설정)온도와 비교하여 조작기에조절신호를 보재는 기기입니다. 내부에 대용량의 전자계전기를 갖고 조작기의 기능을 겸한것도 있다

• 온도제어에서 최적 제어를 하기위해서는 온도조절계와 측온체를 선정하기전에 제어대상이 열적으로 어떠한특성을 가지고 있는지를 충분히 알고 있어야 한다.

[ 1 ] 제어대상의 특성

• 열용량 - 가열속도를 표현하고 로 용적의 대소가 관계한다.
• 정특성-가열 능력을 표현하고, 히-타 용량의 대소를 결정한다.
• 동특성- 가얼초기 돠도응답현상을 나타낸다.
• 히-타 용양, 로의 용적 대소가 복잡한 관계를 가진다.
• 외란- 온도변화의 원인이 되는 것 이다.예를 들면 항온조의 문을 개폐하는 등은 외란의 원인이 된다. 
  

[ 1 ] ON-OFF동작

• 설정한 온도에 이르면 OFF되고 온도가 낮아지면 ON되는 방식.
• 온도가 안정되지 않고 설정온도를 중심으로 하여 고저의 물결이 생긴다.
• 온도가 높아져서 OFF되는 점과 낮아져서 ON되는 점을 동작간격 또는 조절감도라고하는데 이것이 좁으면 물결치는 것이 작어지나 ON-OFF의 주기가 짧아져서 전자개폐기 전자변등의 손상이 크다.
• 냉동기 또는 전자변(버너)을 사용할 때 이 방법을 사용한다.

[ 2 ] 헌팅(Hunting)과 오버슈트

• ON/OFF 동작에는 설정치에 대하여 <그림2>와 같은 파형의 제어특성을 나타낸다.
  이 파형을 헌팅이라고 말하고 헌팅폭은 다음 식으로 나타낼 수가 있다. 이 헌팅폭이 작을수록 좋은 제어를 할 수 있다.
  또 전원 투입시의 행하여지는 Eh를 오버슈트라 말한다.

[ 3 ] 조절감도

• 1점으로 ON/OFF하면 출력이 채터링 하거나 노이즈의 영향을 받기쉽게 된다.
  그 때문에 <그림3>과 같이 통상 ON/OFF에는 히스테리시스를 갖게 되는데 이폭을조절감도(불감대)라고 말한다.
• 냉동기 콤푸레샤등 ON/OFF을 피하지 않으면 안되므로 조절감도를 크게하여야 한다
• 예)온도렌지 섭씨 0-400 도의 온도 조절기에 조절감도가 0.2%일 경우는 D=0.8%이므로 설정값을 100도 C로 하면, 99.2 도C에서 ON합니다. 
  

[ 4 ] 비례동작(P)

• 설정치에 대한 비례대를 갖고 그중에서 조작량(제어출력량)이 편차에 비례한 동작을비례동작이라고 말한다.
  
• 현재온도가 비례대보다 낮으면 조적량은 100%, 비례대의 동작범위안에서의 조작량은 편차에 비례하고 설정치와 현재온도가 일치하면 조작량은 50%로 된다. 
  
• 결국 ON/OFF동작에서 발생하는 헌팅 현상을 줄일수 있으며 순조로운 제어효과를
  가질수 있다.

[ 5 ] 적분동작(1)

• 비례동작에는 반듯이 OFF-SET가 발생됩니다. 그래서 비례동작에 적분동작을 가하여시간이 경과되면 OFF-SET가 소멸되어 설정치와 제어온도가 일치하게 된다.
  
  - 적분시간 : 적분동작의 강도를 나타내는 단위로, <그림8>의 경우 Step 상태의 편차에 도달할때 까지의 시간을 나타내며 적분시간이 짧으면 적분동작은 강하게 됩니다. 그러나적분시간을 너무 짧게 하면 정정 동작이 강하게 되어 헌팅이 생기는 원인이 될수도 있다.

[ 6 ] 미분동작(D)

• 비례동작이나 적분동작은 제어결과에 대한 정정동작이므로 당연히 응답이 지연된다.미분동작은 그 문제를 해결하는 것으로, 편차가 발생하는 경사(미분계수)에 비례한 조작량으로정정동작을 하는 것을 미분동작이라 합니다. 즉, 급격한 외란에 대하여 커다란 조작량을가하여 신속히 정정동작을 한다.
  
  - 미분시간 : 미분동작의 강도를 나타내는 단위로 <그림10>의 경우 경사 상태의 편차에 대하여미분조작량이 비례동작과 같은 조작량에 달할 때 까지의 시간, 실행하는 미분시간 이 길어지면 미분동작에 의한 정정이 강하게 나타난다.

[ 7 ] PID동작

PID동작은 비례도작, 적분동작, 미분동작을 조합한 것으로 지연시간이 있는 제어대상에도뛰어난 제어결과를 가져온다.그것은 비례동작으로 헌팅이 없이 매끄럽게 제어를 할 수 있고적분동작으로 옵셋트를 자동적으로 수정하고 미분동작으로 외란에 대하여 응답이 빨리 될수 가 있기 때문이다.

1. ARW기능
   PID 또는 PI계의 제어로 일어나는 적분치는 스타-트시에 큰 편차로 적분합니다. 그러므로 온도가 설정치에 도달할 경우에는 상당히 큰 적분치가 되므로 온도가 설정치에 도달하였을 때는 과대한 적분조작양에 의하여 오버슈트가 발생하게 된다.
2. 이 관계로 온도가 비례대의 하한 A점에 도달할 때까지의 편차는 적분에서 제외되고 A점부터 적분을 개시하고, 비례대내에 있어서도 적분전체의 예측치를 적분 조작량에 가하는 것에 따라 오버슈트를 방지할 수 있는 기능이 설계되어 있습니다. 이것이 ARW 기능이다.
3. 제어결과고 오버슈트가 큰 경우에는 ARW의 설정치를 작게 합니다. ARW의 설정치를 작게 한다. ARW를 너무 작게 하면 설정치에 도달할 때까지의 시간이 길게 된다.

[ 8 ] 2자유도 PID 동작

지금까지의 PID 동작
지금까지의 PID제어에는 1오버슈트가 되는 것을 방지하면 외란이 있을 경우 안정이 지연된다.또 2외란에 대하여 안정을 빨리 하면 오버슈트가 되어 목표치로의 응답이 나쁘게 되고 인위적 인 동작이 된다. 2차유도 PID제어에는 3오버슈트가 없고 응답시간이 빠르고 외란시에 빨리안정이 된다. 

스텝응답법에 있어서 측정한 PID정수는 25%정도를 최적으로 하는 조정법이있고 최적조정법의 최대공약수를 가지고 있다. 
이와 같이 했을 경우, 측정한 PID정수도 문제는 없습니다. 그러나 용도에 따라서 측정한 PID정수가 불합리한 경우도 있습니다. 그때는 우측에 있는 그림예를 참고로하여 PID의 재조정이 필요하다.

1. 안정이 될 때까지 다소의 시간(조정시간)을 요하여도 문제가 없습니다만 오버슈트가 발생하여 곤란할 경우에는 비례대를 크게한다.
2. 오버슈트는 문제삼지 않습니다만 빨리 안정된 제어상태호 되게하고 싶을 경우는 비례대를 작게한다. 다만 비례대를 작게하면 헌팅이 발생한다.
3. 완만한 헌팅이 발생할 경우나 오버슈트를 반복하여 발생할 경우에는 적분동작이 당한 경우가 원인이므로 적분시간을 크게 하든가, 비례대를 크게 하면 헌팅이 작게 된다.
4. 짧은 주기로 헌팅이 발생할 경우에는 제어계의 응답이 빠르고, 미분동작을 강하게 할 경우이며 이때에는 D를 작게 설정한다.

[ 1 ] 3위치동작

• 3개의 제어상태를 갖게한 조절동작을 말한다.예를 들면 아래 그림과 같이 히-타의 ON상태히-타와 냉각의 OFF상태, 냉각의 ON상태 등 3개의 제어상태가 있는 동작이다. 
  

[ 2 ] 편차

• 목표치(설정치)에 대한 제어량의 차이를 말한다.

[ 3 ] 전지시

• 설정목표 범위 전체의 검출값을 지시하는 방식을 말한다. 
  

[ 4 ] 편차지시

• 설정치에 대한 검출값의 차이를 표시하는 방식을 말한다. 
  

[ 5 ] 번-아우트 기능

• 열전대 단선시 출력 릴레이를 OFF하는 기능을 말한다. 
  

[ 6 ] 열응답

• 측온체의 열에대한 응답시간을 말하고 통상 63.2% 혹은 90% 값으로 표시된다. 
  

[ 7 ] 냉접점 보상회로

• 열전대 입력의 계기에 있어서 온도조절계 열전대 접속단자의 온도를 검출하여 0 C에 놓였을 경우와 동등의 열전대 신호가 조절계에 주어지도록 보상하는 회로 이다.이 회로가 고장나면 조절계 단자 부분의 온도(실내온도)가 실제의 측정온도에 가산된 상태로 된다. 
  

[ 8 ] 보상도선

• 열전대와 거의 같은 전기적 특성을 갖고 있는 한쌍의 도선을 말하며 열전대의 단자와냉접점과의 사이를 이것으로 접속하고 열전대 단자부분의 온도변화에 있어서 발생하는 오차를 보상하기 위하여 사용 한다.
  보상도선을 사용하지않고 배선을 할경우는 열전대 단자부분의 온도와 온도조절계의센서 단자부의 온도 차이가 오차로 된다. 
  

[ 9 ] 3선식

• 측온저항체에 있어서 저항소자의 한단자에 2선, 다른 단자에 1선의 도선을 접속하고리-드선을 연장할때의 도선 저항의 영향을 제거하는 방식으로 당사 온도 조절기의저항식은 전부 이 방식을 채용하고 있다. 
  

[ 10 ] 시프트 셋트 동작

• 주설정온도에 대하여 이미 설정한 온도폭만큼 변경한 값으로 제어동작을 하는 것을 말한다. 
  

[ 11 ] 전송출력

• 제어동작과는 전혀 무관한 독립된 전류출력 기능이 있다.
  이것은 측정가능온도 범위내에서 센서로 부터의 입력량 혹은 설정치를 4-20mA로 변환하여 아나로그량을 출력하는 것으로 기록계 등에 접속할 수 있다. 
  

[ 12 ] 전류출력

• 전류출력형은 ON/OFF펄스형(시분할비례)과는 달리 출력이 연속적인 것으로 연속출력형이라 불리워 집니다. 이동작은 비례대내에서 동작하며 비례대 하한치일경우 20mA며 상한치일 경우에는 4mA를 츨력하고 설정치와 제어치의 변화에 따라 비례하게 출력합니다.
  이러한 출력은 전력조정기등과 조합하여 사용된다.단4-20mA전류치는 부하저항이 600 이하에서만 정상으로 출력이 된다.

[ 13 ] 전압출력(SSR)

• 전압출력은 그 자채로 부하를 제어하는 것은 거의 없고 외부 SSR의 구동을 목적으로 하고DC5-12V, 10-20mA가 주로 사용된다.
  예를 들면 온도조절기 자체에 내부 공간이 큰용량의 SSR를 탑재할 수 없는 경우 이 전압출력을 사용하고 외부 SSR을 구동하여 큰 용량의 제어가 실행된다.
  SSR구동용 출력을 다른 용도로 사용하고자 할 경우에는 필히 사용하고자 하는 부하의 소비전력을 고려하여야 한다.

[ 14 ] 리니아라이즈(직선성보정)

• 열전대나 측온저항체등 온도의 입력은 일반적으로 비직선성 때문에 보정할 필요가 있습니다. 이것을 리니아라이즈라고 한다.
  아나로그식의 온도조절기에서는 눈금간격을 변환하여 보정하고 디지탈식은 2차 관수곡선으로 근사치를 계산하여 소트(Soft)처리 한다. 
  

[ 15 ] 경보모-드

• 상한경보 : 설정치보다도 입력이 높은 온도에 있을때, 상한경보 설정치 이상에서ON동작이 된다.
• 하한경보 : 설정치보다도 입력이 낮은 온도에 있을때, 하한경보 설정치 이하에서ON동작이 된다.
• 하한 대기경보 : 하한 경보에 대기신호 기능이 부과된 것이다.대기신호 기능이부과된 것이다. 대기신호 기능은 전원 투입시에는 입력이 하한경보설정치에 한번 도달할 때까지 경보출력을 내지 않고, 대기하는 동작이다.
• 상.하한경보 : 상한 경보와 하한 경보를 갖춘 것으로 상.하 어느 방향으로든 설정치를 넘어서면 경보출력을 ON한다.
• 상.하한 대기경보 : 상한경보와 하한 대기경보를 갖춘 것으로 하한 경보쪽에 대기신호기능이 부과되어 있다. 
  
• 상하한 범위경보 : 설정치를 중심으로 상. 하한 설정치 범위내에서 동작하는 모-드로 상.하한 경보의 역동작이 된다. 
  
• 정. 역동작 절환 : 역동작은 설정치보다 온도가 낮을때 출력량이 크게 나타나는 동작을 말한다.가열로에는 역동작으로 사용합니다. 정동작은 이것과는 반대의동작을 행하고 냉각의 경우등에 사용한다.
• 히-타 단선 검출기능 : 히-타 단선 검출은 히-타에 흐르는 전류를 변류기로 일정한값의 전류로 변환하여 검출한다. 온도조절기의 출력이 ON 때에 히-타단선 검출이 이루어진다. 따라서 온도조절기의 출력이 OFF때에 히-타단선이 발생하여도 검출할 수 없다.

온도조절계의 측정정도 등의 검사는 전용 설비가 필요하지만 다음과 같은 방법으로 기능의 간단한 확인이 가능하다. 아래에 정상적인 경우의 동작을 예로 한다.아래와 같이 동작을 하지않을 경우는 온도조절기의 불량으로 간주한다. 

[ 1 ] 열전식 입력의 경우

• 센서의 입력 양단자를 연결-실온을 표시한다.
• 설정치를 실온으로 하여 출력이 ON/OFF 되는가를 확인하기 바란다.
• 센서의 양단자를 분리- 출력이 OFF.(최대지시치 표시)

[ 2 ] 저항식 입력의 경우

• 센서의 입력단자 A,B,B+을 도선으로 연결- 출력이 ON(최소지시치 표시).
• 고기능 온도조절계인 DX시리즈,AT96,P100은 출력이 OFF로 된다.
• 센서의 입력단자B,B+을 도선으로 연결하고 A단자와 B단자는 분리- 출력이OFF.(최대 지시치 표시)